JP3089116B2

JP3089116B2 - 電子サイクロトロン共鳴プラズマｃｖｄ装置

Info

Publication number: JP3089116B2
Application number: JP04253141A
Authority: JP
Inventors: 良昭竹内; 正義村田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1992-09-22
Filing date: 1992-09-22
Publication date: 2000-09-18
Anticipated expiration: 2015-09-18
Also published as: JPH06101051A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はａ−Ｓｉ、ＳｉＯ₂ 、Ｓ
ｉ₃ Ｎ₄ などのシリコン系薄膜及びダイヤモンド薄膜な
どを形成する化学蒸着（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒ
Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、以下ＣＶＤという）、Ａｌ₂
Ｏ₃ などの金属化合物膜及びシリコン系薄膜などのスパ
ッタ型膜形成、並びにＡｌ、Ｗなどの薄膜エッチングな
どに用いられる電子サイクロトロン共鳴（Ｅｌｅｃｔｒ
ｏｎＣｙｃｌｏｔｒｏｎＲｅｓｏｎａｎｃｅ、以下
ＥＣＲという）プラズマＣＶＤ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図５に従来のＥＣＲプラズマＣＶＤ装置
を示す。この装置により例えば窒化シリコン膜を形成す
る場合を例に取り説明する。

【０００３】図示を省略したマグネトロン（マイクロ波
発振器）で発生された２．４５ＧＨｚのマイクロ波１
は、アイソレータ、方向性結合器、マイクロ波電力計、
整合器（何れも図示を省略）などを介して、導波管によ
り伝播され、空洞室２に導入される。

【０００４】空洞室２にはボールアンテナが設置されて
おり、これから同軸管３、同軸コネクタ４、及び同軸管
５を介してスリット付金属板６にマイクロ波が伝播され
る。スリット付金属板６は、装置の軸方向に沿って配置
されている。なお、上記スリット付金属板６は、Ａｌ、
Ｃｕ、ＳＵＳ３０４などの材質で構成されている。この
ように同軸管５を介してスリット付金属板６にマイクロ
波が供給されると、スリット付金属板６のスリット上に
定在波が発生し、プラズマが発生する。

【０００５】プラズマ生成室７は、プラズマ引出窓８に
より反応容器１２と連通している。この反応容器１２
は、図示省略の真空ポンプで薄膜形成に必要な所定の真
空度例えば１０^-4Ｔｏｒｒに真空引きされる。また、こ
の反応容器１２には、第１のガス供給管９からプラズマ
生成室７を介してＮ₂ガスが、第２のガス供給管１０か
ら環状ステンレス管１１を介してＳｉＨ₄ガスがそれぞ
れ供給される。

【０００６】プラズマ生成室７の外周には冷却管１５が
巻かれ、冷却水１６を導入流過させることにより、プラ
ズマ生成室７を冷却するようになっている。また、プラ
ズマ生成室７を囲むように磁気コイル１７が配置されて
おり、供給される２．４５ＧＨｚのマイクロ波と電子サ
イクロトロン共鳴を起こすように、磁束密度８７５ガウ
スの磁界を発生する。なお、試料１３は、反応容器１２
内においてプラズマ引出窓８と対向する位置に配置され
た試料台１４上に載せられる。

【０００７】さて、電子サイクロトロン共鳴は、電子の
電荷と質量をｅ、ｍ、磁束密度をＢで表した場合、電子
のサイクロトロン運動の周波数ｆｃｅがｆｃｅ＝（１／２π）ｅＢ／ｍ＝２．４５ＧＨｚという条件を満たすときに発生する。この結果、プラズ
マ生成室７に強力なプラズマ流１８が形成され、このプ
ラズマ流１８はプラズマ引出窓８を通って反応容器１２
内に導入される。そして、反応ガスとして用いられるＮ
₂とＳｉＨ₄ガスガスは、プラズマ流１８により解離さ
れ、試料１３表面にＳｉ₃Ｎ₄の薄膜が堆積する。

【０００８】このＥＣＲプラズマＣＶＤ装置を用いる場
合、通常のＣＶＤ装置を用いる場合と比べて低ガス圧で
高い活性度のプラズマが得られるため、イオン、電子の
衝撃効果により、室温においても高品質の薄膜を形成で
きるなどの特徴を有する。

【０００９】なお、ＥＣＲプラズマは、窒化シリコン
（Ｓｉ₃Ｎ₄）膜の形成に限らず、シリコン（Ｓｉ）
膜、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）膜、及びモリブデンシリ
サイド（ＭｏＳｉ₂）膜などの形成、並びにエッチング
などにも応用できる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】図６（ａ）及び（ｂ）
に、従来のＥＣＲプラズマＣＶＤ装置に用いられている
スリット付金属板の構造、及びその周囲の電界強度分布
を示す。図６（ｂ）に示されるように、スリット付金属
板６からの距離が増加するとともに、その周囲の電界強
度は急激に減少する。従来のＥＣＲプラズマＣＶＤ装置
では、スリット付金属板６は、装置の軸方向に沿って、
すなわち装置の径方向及び試料１３に対して垂直に配置
されている。このため、電界強度の径方向分布が一様に
ならず、生成されるプラズマの分布も一様にならない。
したがって、従来の装置では均一な薄膜を形成すること
ができず、実際の成膜には使用困難であった。

【００１１】この点を改善するために、スリット付金属
板６を試料１３に対して対向させてプラズマ生成室７内
に配置することが考えられる。しかし、この場合には、
ガス導入管９から導入されるガス例えばＮ₂ガスの流れ
が著しく妨げられる。その結果、大面積で均一な薄膜を
形成する際に最も重要になる均一なガス流の実現が困難
となる。また、生成される強力なプラズマ流１８の方向
は、装置の軸方向に沿っているため、プラズマ流１８は
スリット付金属板６に激しく衝突する。その結果、金属
板６から構成元素の金属がスパッタリングされて飛び出
し、これが試料１３上に堆積する薄膜中に不純物として
混入するため、高品質の薄膜を形成することが困難にあ
る。

【００１２】さらに、図６（ａ）に示されるように、従
来の装置で用いられるスリット付金属板６は一枚の板に
一様な幅の溝を加工したものであるため、その作製が困
難であり、高コストとなるいう問題があった。

【００１３】本発明は、均一性に優れたプラズマ流を発
生させることができ、大面積の基板に一様な厚みの薄膜
を形成でき、しかも低コストの電子サイクロトロン共鳴
プラズマＣＶＤ装置を提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の電子サイクロト
ロン共鳴プラズマＣＶＤ装置は、マイクロ波発振器、方
向性結合器、ボールアンテナ、同軸管、プラズマ生成用
アンテナ、プラズマ生成室、反応容器、磁気コイルを有
し、プラズマ生成用アンテナにマイクロ波を供給するこ
とによりプラズマを発生させる電子サイクロトロン共鳴
プラズマＣＶＤ装置において、上記プラズマ生成用アン
テナを、平面的に屈曲され互いに平行に配置された２本
の線材で構成し、一方の線材を上記同軸管の芯線と接続
し、他方の線材を上記同軸管の外管部と接続するととも
に、上記２本の線材の一端または両端を短絡させたこと
を特徴とするものである。

【００１５】

【作用】本発明の電子サイクロトロン共鳴プラズマＣＶ
Ｄ装置において用いられるプラズマ生成用アンテナにつ
いてさらに詳細に説明する。

【００１６】このプラズマ生成用アンテナを構成する２
本の線材の長さは、マイクロ波が伝播されたときに定在
波が発生するように、使用されるマイクロ波の半波長
（２．４５ＧＨｚのマイクロ波の場合には約６ｃｍ）の
整数倍に設定される。これら２本の線材は、平面的に屈
曲され、２ｍｍ程度の一定の間隔で互いに平行に配置さ
れる。平面的に屈曲された２本の線材の形状は特に限定
されない。

【００１７】プラズマ生成用アンテナを構成する２本の
線材のうち、一方の線材は同軸管の芯線と接続され、他
方の線材は同軸管の外管部と接続され、２本の線材の一
端または両端を短絡させる。このプラズマ生成用アンテ
ナに対して、マイクロ波は以下のようにして供給され
る。すなわち、２本の線材の一端のみを短絡させている
場合には、他端からマイクロ波を供給する。一方、２本
の線材の両端を短絡させている場合には、一端からの距
離がマイクロ波の半波長の整数倍となる任意の点におい
てマイクロ波を供給する。

【００１８】本発明において、プラズマ生成用アンテナ
は試料に対して対向して配置される。このプラズマ生成
用アンテナは２本の線材からなっているので、このよう
な配置を採用しても、反応ガスの流れを阻害することが
ない。

【００１９】本発明の電子サイクロトロン共鳴プラズマ
ＣＶＤ装置では以上のような構成のプラズマ生成用アン
テナを用いているので、従来の装置で用いられているス
リット付金属板に比べ、均一性に優れたプラズマ流を発
生させることができ、しかも生成する膜中への不純物の
混入を低減できる。したがって、大面積の基板上に、一
様な厚みを有し、しかも高品質の薄膜を形成できる。ま
た、本発明の装置で用いられるプラズマ生成用アンテナ
は、従来の装置で用いられているスリット付金属板に比
べて製作が容易である。

【００２０】

【実施例】本発明に係る実施例を図面を参照して説明す
る。

【００２１】図１は、本発明の一実施例に係る電子サイ
クロトロン共鳴プラズマＣＶＤ装置を示す概略構成図で
ある。図１において、マイクロ波発振器１００で発生さ
れた２．４５ＧＨｚのマイクロ波は、アイソレータ１０
１、導波管１０２、方向性結合器１０４、導波管１０
２、スタブチューナ１０７を介して空洞室１０８に伝播
される。アイソレータ１０１は、発生したマイクロ波の
反射波によりマイクロ波発振器１００が破損するのを防
止する作用を有する。導波管１０２の途中に介装された
方向性結合器１０４には、マイクロ波電力計１０５が接
続されている。スタブチューナ１０７は、マイクロ波の
インピーダンスを調整する作用を有する。

【００２２】マイクロ波が空洞室１０８に伝播される
と、空洞室１０８ではＴＥ₁₀モードのマイクロ波の定在
波が発生する。すなわち、電界の強さで考えると、空洞
室１０８の内壁では振幅ゼロで、中央部で最大を取るガ
ウシアンモードに近い分布となっている。

【００２３】空洞室１０８内には、電界強度分布がほぼ
一様である部位にボールアンテナ１０９が設置されてい
る。このボールアンテナ１０９から同軸管１１０、同軸
コネクタ１１１、及び同軸管１１２を介してプラズマ生
成室２０４内のプラズマ発生用アンテナ１１３にマイク
ロ波が伝播される。このプラズマ発生用アンテナ１１３
は、絶縁部材を介してプラズマ生成室２０４内に保持さ
れている。ここで、同軸管１１０、同軸コネクタ１１１
及び同軸管１１２の長さ及び取り付け方向はマイクロ波
のエネルギーを減衰させることなく伝播させる上で重要
であり、最適な条件に設定しないプラズマ発生用アンテ
ナ１１３でのプラズマ密度とその分布に悪い影響を与え
る。本実施例では、ボールアンテナ１０９から同軸管１
１２の端部までの距離をマイクロ波の半波長以下、すな
わち約６ｃｍ以下に設定されている。

【００２４】プラズマ生成室２０４はプラズマ引出窓２
０９により反応容器２０８と連通している。この反応容
器２０８は、図示省略の排気装置で反応に必要な所定の
真空度例えば１０^-3〜１０^-8Ｔｏｒｒに真空引きされ
る。また、この反応容器２０８には、第１のガス供給管
２０５からプラズマ生成室２０４を介して例えばＮ₂ガ
スが、第２のガス供給管２０６から環状ステンレス管２
０７を介して例えばＳｉＨ₄ガスがそれぞれ供給され
る。

【００２５】プラズマ生成室２０４の外周には冷却管２
１２が巻かれ、冷却水２１３を導入流過させることによ
り、プラズマ生成室２０４を冷却するようになってい
る。また、プラズマ生成室２０４を囲むように磁気コイ
ル２１４が配置されており、供給される２．４５ＧＨｚ
のマイクロ波と電子サイクロトロン共鳴を起こすよう
に、磁束密度８７５ガウスの磁界を発生する。なお、試
料２１０は、反応容器２０８内においてプラズマ引出窓
２０９と対向する位置に配置された試料台２１１上に載
せられる。

【００２６】図２は、本実施例で使用されたプラズマ発
生用アンテナ１１３の概略形状である。プラズマ発生用
アンテナ１１３は、マイクロ波の半波長の整数倍の長さ
を有する２本の線材からなっている。プラズマ発生用ア
ンテナ１１３を構成する２本の線材は、平面的にコの字
状に屈曲され、２ｍｍ程度の一定の間隔で互いに平行に
配置され、両端で短絡している。なお、ｘ軸方向の直線
部は、ｙ軸方向の直線部に比べ十分に短い。また、ｘ軸
方向及びｙ軸方向の直線部を１つずつ加えた長さがマイ
クロ波の１波長程度になっている。これらの２本の線材
のうち、一方は同軸管１１２の芯線と接続され、他方は
同軸管１１２の外管部と接続されている。その接続位置
は、図示したように各線材のほぼ半分の長さの位置に設
定されている。また、プラズマ発生用アンテナ１１３
は、磁気コイル２１４により生成される８７５ガウスの
磁束密度面上に、すなわち試料２１０に対して対向する
ように配置される。

【００２７】本発明の装置において、同軸管１１２を介
してプラズマ生成用アンテナ１１３にマイクロ波が供給
されると、２本の線材の間に定在波が発生する。この場
合、ｙ軸方向の電界の向きは同方向となる。この結果、
図３に示すように、プラズマ生成用アンテナ１１３に沿
った電界強度分布はほぼ一様になる。プラズマの強度分
布は電界の強度分布に依存するため、試料２１０上に均
一な薄膜を形成することができる。

【００２８】実際に、本発明の装置を用いて窒化シリコ
ン薄膜を形成した例について説明する。図１において図
示を省略した排気装置により反応容器２０８内の真空度
を約５．０×１０^-7Ｔｏｒｒにし、内部の不純物ガスを
十分に排気した後、それぞれ、第１のガス供給管２０５
からＮ₂を５００ｃｃ／ｍｉｎ、第２のガス供給管２０
６からＳｉＨ₄ガスを５０ｃｃ／ｍｉｎ供給した。ガス
供給後の反応容器２０８内の圧力は２×１０^-4Ｔｏｒｒ
に設定した。また、冷却管２１２に冷却水２１３を導入
し、プラズマ生成室２０４を十分冷却した。この状態で
プラズマ流を発生させ、試料上に窒化シリコン膜を形成
させた。

【００２９】本発明の装置では、プラズマ電子密度は２
×１０^-11ｃｍ^-3であり、従来の装置に比べ著しく大き
な値であった。窒化シリコン膜の成膜速度は８オングス
トローム／ｓｅｃであった。また、直径３００ｍｍの範
囲でほぼ均一な膜厚の薄膜が成膜できた。さらに、得ら
れた窒化シリコン膜を解析したところ、屈折率は１．９
〜２．０、膜内のＳｉ／Ｎ比は１．３２であった。ま
た、内部に含まれる金属不純物は１×１０¹⁴ａｔｏｍ／
ｃｃであった。

【００３０】なお、上記実施例では図２に示したプラズ
マ発生用アンテナを使用したが、本発明の要件を満たせ
ば、例えば図４に示すように星型の形状を有するプラズ
マ発生用アンテナを使用してもよい。同様に、曲線部を
有するアンテナでも、プラズマを発生できることが確認
されている。また、このようなアンテナをプラズマ生成
室内に複数個配置することにより、より高密度で均一性
の高いプラズマを得ることができる。さらに、本発明の
装置を用いれば、窒化シリコン薄膜に限らず、使用する
ガスの種類を変えることにより、様々な種類の薄膜を形
成できる。

【００３１】

【発明の効果】以上詳述したように本発明の電子サイク
ロトロン共鳴プラズマＣＶＤ装置を用いれば、均一性に
優れたプラズマ流を発生させることができ、大面積の基
板に一様な厚みの薄膜を形成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る電子サイクロトロン共
鳴プラズマＣＶＤ装置を示す概略構成図。

【図２】同電子サイクロトロン共鳴プラズマＣＶＤ装置
に用いられるプラズマ生成用アンテナの平面図。

【図３】同プラズマ生成用アンテナにマイクロ波が供給
された時にその周囲に生じる電界強度分布を示す図。

【図４】同電子サイクロトロン共鳴プラズマＣＶＤ装置
に用いられる他のプラズマ生成用アンテナの平面図。

【図５】従来の電子サイクロトロン共鳴プラズマＣＶＤ
装置を示す概略構成図。

【図６】（ａ）は従来の電子サイクロトロン共鳴プラズ
マＣＶＤ装置に用いられるスリット付金属板の平面図、
（ｂ）は同スリット付金属板にマイクロ波が供給された
時にその周囲に生じる電界強度分布を示す図。

【符号の説明】

１００…マイクロ波発振器、１０１…アイソレータ、１
０２…導波管、１０４…方向性結合器、１０５…マイク
ロ波電力計、１０７…スタブチューナ、１０８…空洞
室、１０９…ボールアンテナ、１１０…同軸管、１１１
…同軸コネクタ、１１２…同軸管、１１３…プラズマ発
生用アンテナ、２０４…プラズマ生成室、２０５…第１
のガス供給管、２０６…第２のガス供給管、２０７…環
状ステンレス管、２０８…反応容器、２０９…プラズマ
引出窓、２１０…試料、２１１…試料台、２１２…冷却
管、２１３…冷却水、２１４…磁気コイル。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C23C 16/00 - 16/56 C30B 25/00 - 25/22 H01L 21/205 H01L 21/3065 H05H 1/46

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】マイクロ波発振器、方向性結合器、ボ
ールアンテナ、同軸管、プラズマ生成用アンテナ、プラ
ズマ生成室、反応容器、磁気コイルを有し、プラズマ生
成用アンテナにマイクロ波を供給することによりプラズ
マを発生させる電子サイクロトロン共鳴プラズマＣＶＤ
装置において、上記プラズマ生成用アンテナを、平面的
に屈曲され互いに平行に配置された２本の線材で構成
し、一方の線材を上記同軸管の芯線と接続し、他方の線
材を上記同軸管の外管部と接続するとともに、上記２本
の線材の一端または両端を短絡させたことを特徴とする
電子サイクロトロン共鳴プラズマＣＶＤ装置。